Расчеты по химическим уравнениям

Для расчетов по химическим уравнениям необходимо помнить основные расчетные формулы:

n=m/M=V/Vm=N/NA

ρ=m/V ωв-ва=mв-ва/mр-ра(⋅100%)

 

и правильно применять законы стехиометрии.

Определение

Если исходные вещества вступают в химическое взаимодействие в строго определенных соотношениях, а в результате реакции образуются продукты, количество которых поддается точному расчету, то такие реакции называются стехиометрическими.

Любая химическая формула и любое химическое уравнение в явном виде (с помощью индексов или коэффициентов) указывают молярные соотношения элементов, составляющих сложное вещество, или молярные соотношения различных участников реакции – исходных веществ и (или) продуктов. Все расчеты по химическим формулам и уравнениям основаны на использовании этих стехиометрических соотношений и связаны с нахождением количеств вещества (чисел молей).

Например, в оксиде серы (IV) один атом серы и два атома кислорода. То есть количество кислорода в два раза больше количества серы и можно записать:

n(S)/n(O)=1/2

В оксиде серы (VI) один атом серы и три атома кислорода, соотношение элементов будет выглядеть по-другому:

n(S)/n(O)=1/3

Следует подчеркнуть, что когда речь идет о соотношении элементов в молекуле, важно найти наименьшее общее кратное. Например, в щавелевой кислоте с общей формулой H2C2O4 соотношение элементов можно записать как:

n(H): n(C): n(O) =2: 2: 4

Сократив на 2, получим истинное соотношение элементов:

n(H): n(C): n(O) =1: 1: 2

Такой же принцип заключен и в коэффициентах химической реакции.

Количество вещества по уравнению реакции (число молей) = коэффициенту перед соответствующей молекулой.

Например, уравнение

H₃PO₄+3NaOH=Na₃PO₄+3H₂O

означает, что при взаимодействии 1 моля фосфорной кислоты с 3 молями гидроксида натрия образуется 1 моль фосфата натрия и 3 моль воды. Это можно записать в виде формулы:

n(H₃PO₄):n(NaOH):n(Na₃PO₄):n(H₂O)=1:3:1:3

Другими словами, количества гидроксида натрия и воды в данной реакции равны: n(NaOH)=n(H₂O), а количество фосфорной кислоты в три раза меньше количества гидроксида натрия: n(H₃PO₄)/n(NaOH)=1/3→3⋅n(H₃PO₄)=n(NaOH)

Основываясь на этой пропорции и зная количество реагента, например фосфорной кислоты, можно установить количества остальных веществ, участвующих в реакции. При взаимодействии 3 моль фосфорной кислоты потребуется в три раза больше гидроксида натрия, то есть 9 моль. Этот принцип можно наглядно представить, если записать соотношения под уравнением реакции:

H₃PO₄+3NaOH=Na₃PO₄+3H₂O

1:3:1:3

3:?:?:?

⇓

3:9:3:9

Алгоритм расчетов по химическим уравнениям

1.Составить уравнение химической реакции.

2.Над формулами веществ записать известные и неизвестные величины с соответствующими единицами измерения (только для чистых веществ, без примесей). Если по условию задачи в реакцию вступают вещества, содержащие примеси, то сначала нужно определить содержание чистого вещества.

3.Под формулами веществ с известными и неизвестными записать соответствующие значения этих величин, найденные по уравнению реакций.

4.Составить и решить пропорцию.

5.Записать ответ.

Задача 1

Сколько молекул оксида серы(VI) образуется при взаимодействии 112л оксида серы (IV) с кислородом?

Решение

Способ 1

1) Составим уравнение реакции:

2SO₂+O₂=2SO₃

2) Над формулами веществ запишем известные и неизвестные величины с соответствующими единицами измерения: известен объем оксида серы (IV) (112л), нужно найти количество молекул оксида серы(VI) (Хмолекул).

                                                    V=112л_N=Xмолекул _

 

2SO₂(г)+O2(г)=2SO₃(г)

 

3) n (SO2)=2моль n (SO3)=2моль

 Vm=22,4л/моль Na=6⋅1023молекул/моль

V_=n⋅Vm=2⋅22,4л= 44,8л _N_=n⋅Na=2⋅6⋅10²³= 12 ⋅ 10²³молекул _

4) Составим и решим пропорцию (ориентируясь на подчеркнутые числа)

по условию задачи:   112л SO2 горит с выделением Х молекул SO3

по уравнению реакции: 44,8л SO2                  - 12⋅10²³ молекул SO3

                                   112л/44,8л=Xмолек12⋅10²³молек⟹

                X=112л⋅12⋅10²³молек /44,8л=30⋅10²³молек

Способ 2

1) Найдем количество оксида серы (IV) исходя из условий задачи:

n(SO2)=V(SO2)/Vm=112л/22,4л/моль=5моль

Поскольку нужно найти количество молекул оксида серы(VI) -N(SO3) - обозначим количество n(SO_3) за Х моль. Запишем известные количества веществ над соответствующими формулами веществ. Под формулами запишем количества этих веществ по уравнению реакции. При этом следует помнить, что количество вещества в реакции равно коэффициенту перед соответствующей формулой.

                                                 n=5моль_n=Xмоль_

2SO₂(г)+O₂(г)=2SO₃(г)

                                                n=2моль_n=2моль_

2) Составим пропорцию:

по условию задачи: 5 моль SO2 приводит к образованию Х моль SO3

по уравнению реакции: 2 моль SO2 - 2 моль SO3

5моль /2моль=Xмоль/2моль⟹X=5моль⋅2моль/2моль=5моль

3) Зная число Авогдаро и количество окисда серы (VI), легко определить и количество молек-л: N(SO3)=n(SO₃)⋅Na=5моль⋅6⋅10²³молекул/моль=30⋅10²³молекул

Ответ: при сгорании 112л. оксида серы (IV) образуется 30⋅10²³молекул оксида серы(VI)

Следует подчеркнуть, что оба способа решения равнозначны и могут использоваться для решения расчетных задач по химическим уравнениям. Для решения более сложных, многоэтапных задач (например, в третьей части ЕГЭ по химии) рекомендуется использовать количества веществ.

Задача 2

Сколько граммов воды образуется при сгорании 67,2л метана?

Решение

Способ 1

1) Составим уравнение реакции:

CH4(г)+2O2(г)=CO2(г)+2H2O(ж)

2) Над формулами веществ запишем известные и неизвестные величины с соответствующими единицами измерения: известен объем метана (67,2л), нужно найти массу воды (Хг).

                                        V=67,2л_                    m=Xг_

CH4(г)+2O2(г)=CO2(г)+2H2O(ж)

3) n=1моль        n=2моль

Vm=22,4л/моль M=18г/моль

V_=n⋅Vm=1⋅22,4л=22,4л_m_=n⋅M=2⋅18=36г_

4) Составим и решим пропорцию (ориентируясь на подчеркнутые числа)

по условию задачи: 67,2л метана горит с выделением Х г воды

по уравнению реакции: 22,4л метана - 36 г воды

67,2л 22,4л=Xг36г⟹X=67,2л⋅36г22,4л=108г

Способ 2

Эту же задачу можно решить и через другую пропорцию, основанную на количествах веществ. Для этого, исходя из условий задачи, нужно найти количества веществ: метана и кислорода.

1) Найдем количество метана исходя из условий задачи:

n(CH₄)=V(CH₄)/Vm=67,2л/22,4л/моль=3моль

Поскольку нужно найти массу воды обозначим ее количество n(H₂O) за Х моль. Запишем известные количества веществ (метана и воды) над соотвествующими формулами веществ. Под формулами запишем количества этих веществ по уравнению реакции. При этом следует помнить, что количество вещества в реакции равно коэффициенту перед соответствующей формулой.

                                     n=3моль_                   n=Xмоль_

CH4(г)+2O2(г)=CO2(г)+2H2O(ж)

                                      n=1моль_                  n=2моль_

2) Составим пропорцию:

по условию задачи: 5 моль метана приводит к образованию Х моль воды

по уравнению реакции: 2 моль метана - 2 моль воды

3моль/1моль=Xмоль/2моль⟹X=3моль⋅2моль/1моль=6моль

3) Зная молярную массу воды и ее количество, легко определить ее массу:

m(H2O)=n(H2O)⋅M(H2O)=6моль⋅18г/моль=108г

Ответ: при сгорании 67,2л. метана образуется 108г. воды

РАСЧЕТЫ ПО ХИМИЧЕСКИМ УРАВНЕНИЯМ (СОДЕРЖАНИЕ ПРИМЕСЕЙ)

Определение

Примеси- компоненты смеси, содержание которых гораздо меньше содержания основного компонента.

Примесями также называют загрязняющие вещества; побочные продукты реакции и др.

Задача 1

Определите объем кислорода, выделившегося в ходе реакции разложения 83г перманганат калия, содержащего 5% бескислородных примесей:

2KMnO₄=K₂MnO₄+MnO₂+O₂

РЕШЕНИЕ

1) Так как примеси бескислородные, то при их разложении кислород выделяться не будет. Значит в первую очередь нужно определить массу чистого перманганат калия, то есть без примесей. Поскольку 83г - масса "грязного" перманганата калия, а 5% - содержание примесей, то массовая доля чистого вещества составит ω(KMnO4)(100-5)=95% или 0,095

2) Далее, по формуле определения массовой доли найдем массу чистого вещества:

в-вав-васмесив-васмесив-ваωв-ва=mв-ваmсмеси(⋅100%)→mв-ва=mсмеси⋅ωв-ва

 

m(KMnO4)=m(смеси)⋅ω(KMnO4)=83г⋅0.95=79г

3) Найдем количество перманганат калия, вступившего в реакцию:

n(KMnO4)=m(KMnO4)M(KMnO4)=79г158г/моль=0.5моль

4) Составим пропорцию, обозначив количество кислорода n(O2)=X моль:

по уравнению реакции: при разложении 2 моль KMnO4 выделяется 1 моль O2

по условию задачи: 0,5 моль KMnO4------Х моль O2

мольмольмольмольмольмольмольмоль2моль0,5моль=1мольXмоль→X=0,5моль⋅1моль2моль=0.25моль

5. Найдем объем кислорода:

мольл/мольлV(O2)=n(O2)⋅Vm=0.25моль⋅22.4л/моль=5.6л

ОТВЕТ: выделится 5,6л кислорода

РАСЧЕТЫ ПО ХИМИЧЕСКИМ УРАВНЕНИЯМ (ПРАКТИЧЕСКИЙ ВЫХОД)

Понятие практический выход используется только для продуктов реакции и означает отклонение массы(объема) продукта от теоретически возможного. Это отклонение связано с погрешностями проведения эксперимента и присутствует во всех реакциях.

практич.теорет.практич.теорет.η=mпрактич.mтеорет.η=Vпрактич.Vтеорет.

Практический выход всегда меньше теоретического (меньше 100%).

Решение подобных задач всегда следует начинать с определения теоретической массы (объема) продукта реакции, и уже потом находить отношение практической массы(объему) к теоретической. Например,:

Задача 2

При взаимодействии 13г цинка с соляной кислотой образовалось 26,5г соли. Определите практический выход продукта.

РЕШЕНИЕ

Zn+2HCl=ZnCl2+H2

1) Составим уравнение реакции:

Zn+2HCl=ZnCl2+H2

2) Запишем дано и расставим известные величины над веществами в уравнении реакции. Поскольку требуется найти практический выход ZnCl2 и дана его практическая масса, обозначим его теоретическую массу за Хг:

Дано: гтеор.гm=13г_mтеор.=Xг_

m(Zn) = 13г Zn+2HCl=ZnCl2+H2

mпракт.практ.(ZnCl2) = 26,5г мольмольn=1мольn=1моль

Найти: г/мольг/мольM=65г/мольM=136г/моль

η(ZnCl2) -? ггm=65г_m=136г_

______________________

3) Составим пропорцию: по условию задачи 13 г цинка - Хг ZnCl2